Основы биомеханического контроля

Лекция №3

Мощность и эффективность мышечного сокращения.

Групповое взаимодействие мышц.

Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм. Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Также, при наличии травмы или в случае локального утомления какой либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют разнонаправленное действие. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается: 1) высокая точность двигательных действий; 2) снижение травматизма.

По мере увеличения скорости мышечного сокращения сила тяги мышцы, функционирующей в преодолевающем режиме, снижается по гиперболическому закону. Существует сила и скорость, при которых мощность мышечного сокращения наибольшая (рис.). Этот режим имеет место, когда и сила, и скорость составляют примерно 30% от максимально возможных величин.

1. Шкалы и единицы измерений.

2. Биомеханические характеристики.

3. Точность измерений.

4. Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

5. Тестирование двигательных качеств.

6. Автоматизация биомеханического контроля.

Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за уровнем физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:

Контроль = тестирование (измерение) + оценивание результатов измерения или тестирования.

Биомеханический контроль призван дать ответы на следующие вопросы:

1. Что делает человек?

2. Насколько хорошо он это делает?

3. Благодаря чему он это делает?



Шкалы и единицы измерений.

Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.

Шкала наименований. В этой шкале числа, буквы, слова и другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, номера игроков, участников соревнований. Числа и слова, составляющие шкалу наименований разрешается менять местами. Шкала наименований используется при определении объема техники и тактики.

Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, но интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, оценивание знаний по шкале: «плохо» – «удовлетворительно» – «хорошо» – «отлично». То есть, дает возможность установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов и определить характер неравенства в качественных понятиях «больше – меньше», «лучше – хуже». Однако, насколько лучше и насколько лучше, по этой шкале определить нельзя.

Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами – единицами измерения. Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, секундомера, спидометра.

‚

Биомеханические характеристики.

Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические. Кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.

Таблица 1. Классификация биомеханических характеристик

Кинематические	Энергетические	Динамические
Для поступательного движения	Для вращательного движения	Для поступательного и вращательного движения	Для поступательного движения	Для вращательного движения
м перемещение град.	Работа, Дж	Масса, кг	Момент инерции, кг м2
с длительность с	Энергия, Дж	Сила, Н	Момент силы, Н м
м/с скорость град./с	Мощность, Вт
м/с2 ускорение град./с2	Экономичность, %	Импульс силы, Нс	Импульс момента силы, Нмс
1/мин темп-ритм 1/мин	Энергетическая стоимость, Дж/м и пульсовая стоимость, 1/м	Количество движения, кг м2/с	Кинематический момент, кг м2/с

Положение любой точки тела или положение спортивного снаряда определяется координатами в той или иной системе координат. Наиболее популярна прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях.

При выполнении двигательного действия положение тела и спортивного снаряда изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями. Траектория может иметь любую, сколь угодно сложную форму. В отличие от нее линейное перемещение () – расстояние по прямой между конечным и начальным положением тела.

Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела или его материальных точек.

- линейная скорость

- угловая скорость

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости.

При изучении периодически повторяющихся движений важно знать:

- темп – число движений в единицу времени

- длительность цикла – интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.

Фаза двигательного действия – это временной элемент двигательного действия. Соотношение длительностей фаз называется ритмом. Графическое изображение ритма называется хронограммой. Фазовый анализ позволяет на основе определения длительностей фаз и ритма и построения хронограммы документировать технику и тактику для последующего запоминания, изучения, целенаправленного обучения лучшим образцам.

Представленные выше характеристики являются кинематическими. В отличие от них динамические характеристики не возможно оценить по внешней картине движений. В данном случае необходима специальная аппаратура. Динамические характеристики измеряются потому, что они помогают разобраться в сложных механизмах формирования движений и, следовательно, найти пути овладения ими, их совершенствования и исправления возможных ошибок. Ведь ошибки в кинематике, всегда есть следствие несвоевременных и нерациональных мышечных усилий и неумелого использования внешних сил.

Ускорение, приобретаемое телом, обратно пропорционально его инертности и прямо пропорционально воздействующей силе:

- Линейное ускорение

- Угловое ускорение

Далее необходимо раскрыть следующую закономерность, которую мы хорошо знаем в повседневной жизни, но не всегда используем при занятиях физкультурой и спортом. Она состоит в том, что эффект действия силы (в данном случае приращение скорости) зависит не только то величины силы, но и от продолжительности ее действия (). В связи со сказанным можно выделить и описать еще две биомеханические характеристики:

- импульс силы

- импульс момента силы

, где - интервал времени от начала до окончания действия силы; и - средние величины силы и вращающего момента.

Теперь переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик. Так механическая работа есть произведение силы на перемещение:

Мощность вычисляется по формуле

Последний переход в преобразовании формулы особенно важен. Он дает возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу измерить трудно, но можно измерить силу и скорость. (при ударе высококвалифицированного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт).

Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов. Потенциальная энергия (Еп) и кинетическая энергия тела в поступательном (Ек) и вращательном (Ек) движениях определяются по формулам:

, где = 9,8 м/с – ускорение свободного падения, - высота от центра масс тела над поверхностью земли, - линейная скорость, - угловая скорость, - масса, - момент инерции.

Подобно тому как технические машины характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:

.

Где Е – количество метаболической энергии, Дж, Е – скорость ее расходования, Вт;

- энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы; для того чтобы определить энергетическую стоимость бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега.

- пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы; например пульсовая стоимость ходьбы бега и других циклических локомоций вычисляется по формуле

пульсовую стоимость проще измерить, чем энергетическую. И кроме того, в некоторых ситуациях пульсовая стоимость информативнее энергетической (при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).

…

Тестирование двигательных качеств.

Биомеханические тесты выносливости позволяют установить какой объем работы человек может выполнить и как долго может работать без снижения эффективности двигательной деятельности. При длительном выполнении какой-либо деятельности у человека возникает утомление. Утомление бывает двух видов компенсированное и декомпенсированное. Главное отличие их заключается в том, что при наступлении утомления первого вида человек способен поддерживать заданную скорость передвижения, а при наступлении декомпенсированного скорость снижается.

Вместо скорости можно программировать длину дистанции и измерять минимальное время, за которое человек справляется с заданием.

Третьим вариантом тестов является тест, в котором ограничивается продолжительность упражнения и измеряется преодоленное расстояние.

Согласно правилу обратимости двигательных заданий все три разновидности теста на выносливость эквивалентны, т.е. при тестировании группы люде наиболее выносливые в одном из этих трех тестов будут наиболее выносливыми и в других.

Для тестирования выносливости используют не только циклические локомоции, но и другие физические упражнения, поэтому скорость передвижения – частный случай интенсивности мышечной работы, а преодоленное расстояние – частный случай объема выполненной работы.

Тестирование силовых качеств осуществляется либо в упражнениях статического характера, либо в таких общеразвивающих упражнениях, где выполняется локальная или региональная мышечная работа. В первом случае мерой силовых возможностей служит величина проявляемой силы и продолжительность ее удержания. Во втором случае определяется, сколько раз подряд человек может сжать или растянуть пружину динамометра, подтянуться, отжаться и т.п.

Проявляемая человеком сила зависит от позы, от углов в суставах. Измерение силы можно проводить при любой величине суставного угла. Важно, правда, чтобы он всегда был одним и тем же.

Тесты скоростных качеств делятся на три группы. При тестировании человек должен продемонстрировать:

1) наименьшее латентное время двигательной реакции;

2) наибольшую скорость одиночного движения;

3) наибольший темп циклических движений или наибольшую скорость передвижения.

Особенностью тестирования скоростных качеств является необходимость измерения всех трех показателей, так как установлено, что результаты в тестах одной и той же группы тесно взаимосвязаны, а результаты в тестах из разных групп не связаны между собой. Например, человек может с большим запаздыванием реагировать на сигнал стартера, но развивать высокую скорость на дистанции.

Тестирование скоростно-силовых качеств осуществляется в упражнениях позволяющих демонстрировать и силу, и быстроту. Одним из тестов на определение уровня развития этих качеств является прыжок в высоту. Так, прыгающим на высоту 41 см и ниже рекомендуется специализироваться на стайерских дистанциях, а тем, кто прыгает выше 55 см, - на спринтерских.

Для более глубокого анализа скоростно-силовых качеств регистрируют динамограмму прыжка или другого «взрывного» упражнения и вычисляют градиент силы (т.е. отношение приращения силы к интервалу времени, за которое это приращение произошло).

Градиент силы неодинаков на разных участках динамограммы. Обычно в начале движения он больше, чем в конце. Поэтому вычисляют скоростно-силовой индекс – частное от деления разности между максимальным и минимальным значениями проявляемой силы на величину временного интервала, за который это изменение произошло. (рис). Чем выше скоростно-силовая подготовленность, том больше скоростно-силовой индекс, так как большая сила достигается за меньшее время.

При выполнении многих упражнений приходится преодолевать силу тяжести своего тела. В этих случаях наиболее информативный показатель скоростно-силовых качеств – не скоростно-силовой индекс, а коэффициент реактивности. Коэффициент реактивности равен скоростно-силовому индексу, деленному на вес тела. (рис).

Тестирование гибкости чаще всего связано с измерением углов между звеньями тела с помощью специальных приспособлений (угломеров или гониометров). Для каждодневного контроля за гибкостью рекомендуется использование такой тест: наклоны вперед с прямыми ногами, выполняемые на ступеньке, к которой приставлена линейка.

†

Автоматизация биомеханического контроля.

В настоящее время осуществление биомеханического контроля нельзя представить без применения специальной измерительной аппаратуры. Все измерительные системы в биомеханике включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, канал связи и регистрирующее устройство. Для повышения точности биомеханического контроля привлекаются радиотелеметрия, лазеры, ультразвук, инфракрасное излучение, радиоактивность, телевидение, видеомагнитофоны, вычислительная техника.

Датчики биомеханических характеристик.

Датчик – это звено измерительной системы, непосредственно воспринимающее изменения измеряемого показателя. Датчики закрепляются либо на теле человека, либо вне его. На теле человека размещаются: маркеры суставов, электромиографические электроды, датчики суставного угла и ускорения.

Среди внешних датчиков можно выделить динамографические платформы, которые устанавливаются скрытно в секторе для прыжков, или метаний, под покрытием беговой дорожки, гимнастического помоста, игровой площадки. Наиболее совершенные из них позволяют измерить все три составляющие силы (вертикальную и две горизонтальные) и кроме того скручивающий момент в точке приложения силы, причем результат измерения не зависит от того, к какой точке приложена сила.

Чувствительными элементами в динамографической платформе служат пьезоэлектрические датчики или более хрупкие датчики силы – тензодатчики.

Дата добавления: 2015-05-10